本文研究了反鐵電多層陶瓷電容器的溫度、電壓、電流多應(yīng)力因子加速壽命試驗方法與可靠性壽命建模技術(shù)，選取宏科電子公司的GCT41P-7680-X7Q-4000V-623M型號脈沖功率多層瓷介電容器樣品，開展高溫、高電壓、大電流循環(huán)充放電壽命試驗，基于試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，建立了反鐵電多層陶瓷電容器PV+壽命預(yù)測模型以及相應(yīng)的模型模型參數(shù)值。通過試驗失效樣品DPA分析發(fā)現(xiàn)，反鐵電多層陶瓷電容器充放電循環(huán)工作失效模式為內(nèi)電極界面分層失效，并就其失效機理進行了初步探討分析。
引言
反鐵電多層陶瓷電容器（MLCC）由于具有高電壓、大電流、大功率放電等工作特性，可應(yīng)用于武器點火、空間電推進等領(lǐng)域，目前亟需解決產(chǎn)品在空間應(yīng)用環(huán)境和工作條件下的可靠性壽命預(yù)測難題。通過開展溫度、電壓、電流多應(yīng)力因子的加速壽命試驗和失效樣品DPA分析，獲得影響產(chǎn)品性能和壽命的關(guān)鍵影響因素、主要失效模式，建立可靠性壽命預(yù)測模型，對進一步改進產(chǎn)品質(zhì)量和提升可靠性具有重要意義。
高溫、高電壓、大電流多應(yīng)力因子加速壽命試驗是研究反鐵電MLCC循環(huán)壽命的主要試驗方法。趙宇萍、魏建中研究了宇航級MLCC極限壽命試驗方法研究。徐晨洪等開展了反鐵電多層陶瓷設(shè)計與其充放電行為研究。H.C. Ling，David Liu，D. Zhang等基于欠阻尼LRC電路設(shè)計，研究了在步進電壓瞬態(tài)放電條件下的MLCC失效行為。徐卓、李飛等開展了用于能量存儲的織構(gòu)多層陶瓷電容器研究，大幅降低了陶瓷在強場下的電致應(yīng)變，提高了在強場條件下工作的穩(wěn)定性和可靠性。
本文開展了脈沖功率反鐵電多層陶瓷電容器多應(yīng)力因子（溫度、電壓、電流）的加速壽命試驗研究，通過加速壽命試驗數(shù)據(jù)分析，建立了可靠性壽命預(yù)測模型。根據(jù)試驗失效樣品的DPA分析，討論了反鐵電脈沖功率MLCC的失效模式和失效機理。
加速壽命試驗
1.試驗樣品
試驗樣品采用成都宏科電子的G-CT41P-7680-X7Q-4kV-753M型號脈沖功率反鐵電多層陶瓷電容器，端電極為鈀銀可焊引出端，額定電壓為4000V，電容量為0.0753µF。試驗樣品性能指標見表1。所有試樣滿足Q/HK 26050-2016、QZJ840624等標準要求的質(zhì)量等級。
表1 試驗樣品元件信息
2.試驗設(shè)計
脈沖功率高壓陶瓷電容器加速壽命試驗方法參照GJB1940A-2012、GJB 360B-2009等標準要求開展試驗。
首先，試驗中的溫度環(huán)境條件和電流、電壓工作條件應(yīng)滿足產(chǎn)品工作條件限制性要求（見表1）：其中，溫度加速條件應(yīng)滿足居里溫度T<150℃；電壓加速條件應(yīng)不超過額定電壓的25%，即V<V0*125%，同時必須小于擊穿電壓V<6000V；考慮到放電電流依賴于LCR回路中的總電阻和總電感，在短接放電條件下，電流峰值最大。
1）分組試驗條件
按照加速壽命試驗的溫度、電壓、電流多應(yīng)力因子加速要求，將試驗分為溫度加速組、電壓加速組和電流組，按照溫度、電壓、峰值電流三應(yīng)力因子進行正交試驗條件設(shè)計，具體加速壽命試驗方案如表2所示。
表2 正交試驗條件設(shè)計
其中，溫度（1）分組為溫度加速循環(huán)壽命試驗，參考相關(guān)文獻調(diào)研結(jié)果，陶瓷電容器的激活能取值范圍約為（0.6eV~1.0eV），將試驗溫度分別設(shè)為140℃、125℃、105℃，相鄰溫度條件下的循環(huán)壽命加速約為2倍左右。電壓條件設(shè)定為4600V，高于額定電壓4000V的15%；
電壓（2）分組為電壓加速試驗，試驗溫度為140℃，電壓分別為4400V和4800V，分別為額定電壓的1.1倍和1.2倍；
電流（3）分組為電流加速試驗，放電電流峰值條件分別設(shè)定為6400A、4400A和2400A。本組試驗在常溫下進行，電壓設(shè)定為5000V，為額定電壓的1.25倍。
這是考慮到試驗中LCR電路中電纜電感對放電電流峰值影響較大，在常溫下可以進行短接放電試驗，獲得在最大放電電流峰值6400A下的產(chǎn)品循環(huán)壽命。通過改變自動化充放電平臺與試驗電路板DUT之間的連接電纜長度L，改變LCR電路的等效電感，從而實現(xiàn)不同的放電電流峰值。
2）試驗布局
圖1是試驗布局框圖，被測試驗電容放入溫度箱中，通過高壓電纜與溫度箱外的自動化充放電平臺連接。
圖1 試驗框圖
本試驗系統(tǒng)的等效LCR電路如圖2所示。電容電壓為充放電平臺的輸出電壓，等效電阻R為電容內(nèi)阻和電纜電阻之和，等效電感L為電纜電感和電容等效電感之和。通過測量電容的內(nèi)阻、電感以及電纜的電阻、感抗，可以計算LCR放電回路的放電電流波形。
圖2 測試回路的等效LCR電路示意圖
在試驗系統(tǒng)中，自動化充放電平臺通過高壓電纜對電容進行高壓、大電流的重復(fù)充放電循環(huán)，試驗頻率為可重復(fù)充放電10次每秒，充電電壓范圍為0~5000V。
試驗采用符合國家標準的高壓安全電纜。使用前需測量高壓電纜的電阻和電感。試驗采用耐20KV的高壓銅芯電纜，長度1m、截面積10mm2，實測電阻值R=1.7m ?，遠小于相對于被測電容的等效電阻約為1?，因此電流電阻對放電回路中電流影響可以忽略不計；1m電纜感抗測量值約為7.8?，所以，電感對電流影響較大，電路系統(tǒng)盡可能使用較短電纜。另一種降低電感的方法是將電路中相反電流方向的兩根電纜并排捆綁，可降低感抗到1/4倍左右。
被測電容器試驗件安裝在PCB板卡上，如下圖所示。其中，PCB板卡采用耐高壓FR4材料，厚度為2mm，線路敷銅厚度為2，采用產(chǎn)品說明書提供的焊盤設(shè)計以及焊接要求安裝電容器。特別強調(diào)的是需要做好高壓防護措施。焊接后未清理干凈的殘留助焊劑在高壓加電后可能導(dǎo)致試驗板卡發(fā)生打火現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗安全風(fēng)險甚至系統(tǒng)崩潰。
圖3 被測樣品DUT板卡
3.試驗監(jiān)測
試驗過程中按照試驗流程進行初始性能檢測、中間檢測、和試驗后的失效樣品DPA分析。
初次檢測：在試驗前，進行樣品性能常溫測試，獲得樣品的電容量、損耗角正切、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓、和放電電流波形等性能參數(shù)。采用4278容量測試儀測量電容量、損耗角正切。
中間測試：經(jīng)歷100、1000、2000、3000...次充放電循環(huán)次數(shù)后，取出樣品，恢復(fù)到常溫下進行中間性能測試并記錄測試結(jié)果。
中間測量中如果出現(xiàn)樣品的性能參數(shù)測量值與初始測量值的超差達到失效判據(jù)要求（見表3），判斷為樣品性能退化失效，終止試驗。
試驗過程中，自動化充放電循環(huán)測試過程中，自動化充放電平臺的檢測模塊自動監(jiān)測并顯示放電電流波形，記錄波形和采集存儲數(shù)據(jù)。
圖4 加速壽命試驗系統(tǒng)
當(dāng)樣品發(fā)生擊穿失效，自動化充放電平臺自動終止充放電循環(huán)試驗。失效樣品經(jīng)過DPA分析，先用拋磨機打磨出失效樣品光滑截面，然后用顯微鏡針對擊穿區(qū)域進行解剖，確定擊穿點，分析失效模式。
失效判據(jù)：
1）擊穿失效：在循環(huán)充放電過程中，當(dāng)電容器發(fā)生擊穿損壞，并導(dǎo)致充放電過程終止。
2）性能退化失效
表3是性能退化失效判據(jù)。當(dāng)樣品中間測試發(fā)生失效的電容量測試值與初始測試值的超差大于20%，判產(chǎn)品性能退化失效；或介質(zhì)耐電壓中間測試測量失效，或放電電流波形及電流峰值降低超過20%，產(chǎn)生記為樣品性能退化失效。
表3 性能退化失效判據(jù)
試驗數(shù)據(jù)分析
1、試驗結(jié)果
在不同溫度、電壓、電流充放電循環(huán)試驗性能檢測中發(fā)現(xiàn)，隨充放電循環(huán)次數(shù)增加，被試PPMLCC樣品性能變化不明顯，均小于性能退化的失效判據(jù)。在3分組試驗中，所有試驗樣品都是在循環(huán)到一定次數(shù)N后，發(fā)生了介電擊穿失效。每組試驗條件下的樣品平均壽命如表4所示。
表4 加速壽命試驗介電擊穿失效壽命
2、加速壽命模型
加速壽命試驗是利用高應(yīng)力水平下的壽命試驗結(jié)果外推正常應(yīng)力水平下的產(chǎn)品壽命特征。因此，本研究的關(guān)鍵在于建立反鐵電多層陶瓷電容器的多應(yīng)力因子加速壽命模型。
針對本試驗設(shè)計的溫度、電壓和電流三應(yīng)力因子加速壽命試驗，假設(shè)溫度、電壓、電流加速效應(yīng)是相互獨立的，三應(yīng)力因子加速壽命模型可以表示為三個加速模型的乘積，形成擴展的PV+模型，如下所示。
式中：
L—某壽命特征，如平均壽命、中位壽命等；
A—一個常數(shù)，且A>0；
Ea—激活能，與材料有關(guān)，單位是電子伏特，以eV表示 ；
K—玻爾茲曼常數(shù)。結(jié)合激活能，Ea/K的單位是溫度，稱為激活溫度；
T—絕對溫度，T=273+環(huán)境溫度（攝氏度）；
V—電壓應(yīng)力；
n—電壓的逆冪率指數(shù)；
Vc—額定電壓。
I—放電電流峰值；
m—電流的逆冪率指數(shù)；
Ic—短接放電電流峰值。
根據(jù)美國軍用標準MIL-HDBK-217E（1986）對各種電容器的電壓加速壽命試驗建議用指數(shù)模型，多應(yīng)力因子加速壽命模型也可以寫成：
式中：
b—待定常數(shù)。
接下來，結(jié)合壽命試驗數(shù)據(jù)，可以分析和驗證上述模型，并得到模型的具體參數(shù)值，即獲得功率脈沖多層陶瓷電容器的壽命預(yù)測模型。
3、確定模型參數(shù)
基于上述兩個壽命模型公式（1）和（2），對溫度、電壓、電流多應(yīng)力因子加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行分析，確定模型的參數(shù)。通過采用MATLAB程序?qū)勖囼灁?shù)據(jù)進行分析，得到下面的壽命預(yù)測模型，如下式所示。
上述壽命預(yù)測模型表明，反鐵電多層陶瓷電容器的激活能為0.819eV，電流的逆冪率指數(shù)為4.1，電壓加速的逆冪率指數(shù)為33.4，如果采用指數(shù)函數(shù)來描述電壓加速壽命模型，電壓加速指數(shù)為0.011。
反鐵電MLCC在應(yīng)用中一般不建議采用電壓降額，因此可以估計電壓加速總系數(shù)≈1。在常溫下進行額定電壓下短接放電試驗，壽命預(yù)測值等于A*exp(0.819/300)≈A?？紤]應(yīng)用電路回路中實際存在有效電阻和電感，如果其放電電流峰值估計為短接放電電流峰值的一半（≈Ic/2），那么，PPMLCC電容器的使用壽命可預(yù)測為8*A。
試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，電容器的循環(huán)壽命與電壓的關(guān)系最為敏感。根據(jù)在140℃環(huán)境下改變電壓應(yīng)力得到循環(huán)壽命試驗數(shù)據(jù)繪制的壽命散點圖。其中，圖（a）的橫坐標是電壓，縱坐標是壽命的對數(shù)，對應(yīng)的是指數(shù)壽命模型；圖（a）的橫坐標是電壓對數(shù)，縱坐標是壽命的對數(shù)，對應(yīng)的是逆冪率模型。從兩個圖形上看，指數(shù)模型中壽命的對數(shù)與電壓似乎更好落在在一條直線上。
圖5 充放電循環(huán)壽命和電壓應(yīng)力的關(guān)系
失效模式和機理分析
1.失效樣品的DPA分析
多應(yīng)力因子加速壽命試驗結(jié)果表明，反鐵電多層陶瓷電容器基本上是在經(jīng)歷N次充放電循環(huán)后發(fā)生了擊穿失效。試驗后對失效樣品進行DPA分析，研究充放電循環(huán)導(dǎo)致的產(chǎn)品主要失效模式，并在此基礎(chǔ)上分析失效機理。DPA分析是通過球磨機將樣品打磨出一個較大縱深的光滑截面，該截面垂直于內(nèi)電極平面，然后在顯微鏡下觀察失效樣品光滑截面與正常樣品的光滑截面的對比結(jié)構(gòu)變化。
DPA分析結(jié)果表明，主要失效模式是沿電極界面的分層失效模式，界面分層貫穿整個電極兩端，部分樣品截面上看到擊穿電流導(dǎo)致的燒黑的點狀或區(qū)域痕跡。從電極界面分層失效模式角度看來，可以解釋為電極界面處瓷介質(zhì)材料存在著一定數(shù)量的初始結(jié)構(gòu)缺陷或微裂紋，在循環(huán)充放電應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞效應(yīng)，導(dǎo)致微裂紋不斷拓展、衍生并相互融合，沿著電極界面發(fā)展直到貫穿電極兩端。
2.失效機理分析
文獻上關(guān)于陶瓷多層電容器微裂紋拓展的失效機理包括以下幾種：電致伸縮效應(yīng)、氧離子遷移、電疇轉(zhuǎn)動、相分離效應(yīng)、電荷注入效應(yīng)等?？紤]到電致伸縮效應(yīng)、氧離子遷移、電疇轉(zhuǎn)動會導(dǎo)致瓷介質(zhì)材料疲勞或老化作用，本試驗DPA分析沒有觀察到瓷介質(zhì)內(nèi)部較大裂紋或燒毀現(xiàn)象。
因此，應(yīng)重點分析電荷注入效應(yīng)和相分離效應(yīng)等失效機理：在高壓、大電流、納秒級的交流充放電作用下，由于電極與介質(zhì)導(dǎo)電性較大差異，導(dǎo)致電極向裂紋注入電荷，在裂紋尖端的極化電荷聚集產(chǎn)生極大的極化場強，導(dǎo)致材料融化并發(fā)生結(jié)構(gòu)相分離，從而驅(qū)動裂紋不斷拓展。相關(guān)研究結(jié)果表明，電荷注入機理的失效壽命隨時間呈現(xiàn)指數(shù)衰減規(guī)律，與本試驗的充電電壓的壽命指數(shù)規(guī)律基本一致。
結(jié)論
本文針對反鐵電多層陶瓷電容器的額定電壓4000V典型型號產(chǎn)品開展了多應(yīng)力因子加速壽命試驗，獲得了在高溫、高壓、大電流加速壽命試驗數(shù)據(jù)和主要失效模式，建立了關(guān)于功率脈沖反鐵電陶瓷電容器可靠性評價的壽命預(yù)測模型。得到的主要結(jié)論如下：
(1) 成功開發(fā)了反鐵電多層陶瓷電容器高溫、高壓、大電流多應(yīng)力因子的加速壽命試驗設(shè)計方法，通過電壓應(yīng)力加速設(shè)計有效降低了壽命試驗時間成本。
(2) 建立了功率脈沖反鐵電陶瓷電容器可靠性評價方法，獲得壽命預(yù)測模型及其參數(shù)。
(3) 電極界面分層失效是功率脈沖反鐵電陶瓷電容器工作條件下的主要失效模式，定性分析了電極電荷注入和相分離導(dǎo)致的界面微裂紋拓展失效機理。
引用本文：
施發(fā)健, 杜赫迪, 楊秀玲, 底桐, 孫旭朋, 白樺.反鐵電多層陶瓷電容器加速壽命試驗與建模技術(shù)[J].環(huán)境技術(shù),2023,41(12):6-11+30.
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